汽車機械式變速器變速傳動機構的可靠性設計

梁居正

摘要：機械式變速器是使汽車前進與倒退的傳動裝置，其高效率的傳動作用是其他變速器無法取代的。采用機械式變速器的汽車可以很好的鍛煉駕駛員的協調性，并給與駕駛員較好的超車體驗。強大的牽引力量使得汽車在換擋時有沖擊感和不夠穩定等問題，汽車制造相關行業仍然需要對此進行深入研究和改進。文章結合變速器傳動裝置的可靠性分析，總結出汽車機械式變速器傳動機構的可靠性優化設計。

關鍵詞：汽車;機械式變速器;傳動機構;可靠性

中圖分類號：U461.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0013-02

0? 引言

隨著科技的進步，變速裝置得到了多樣化發展，盡管大多數的司機還是習慣于傳統的機械式變速器，但是自動變速器和無極變速器在市場的大力普及，給機械式變速器帶來了巨大的挑戰。AMT（機械式自動變速箱）技術的出現給機械式變速器帶來了新的生機。在自動化技術、信息技術、微電子技術等多種技術的綜合支撐下，機械式變速器的系統穩定性得到提升，換擋時掌握更為精確，操作較為順暢，沖擊感降低，使駕駛員有動力十足且較為穩定的駕駛體驗。可見對應用機械式變速器的汽車變速傳動機構可靠性設計一直具有較大的顯示意義[1]。

1? 變速傳動機構的可靠性設計原理探討

在汽車變速過程中，變速器是變速傳動系統的重要組成部分，發揮主要作用。變速機構和傳動機構是變速器的兩大組成部分，齒輪的轉動實現變速器的傳動作用，普通齒輪可以勝任大部分傳動情況，必要特殊時候使用行星齒輪傳動。汽車變速傳動原理依靠齒輪傳動比和發動機曲軸轉矩的不同變化來實現，以達到用戶不同駕駛環境下對汽車牽引力和運行速度的多樣化需求。行駛過程中通過換擋來操縱變速箱中不同的齒輪副進行工作，行駛速度較慢的時候，讓傳動比大的齒輪副工作，行駛速度較快的時候，讓傳動比小的齒輪副工作。只有將可靠性作為機械系統設計的基礎，對系統可靠性進行全面分析，才能使系統設定方案的可靠性最大化。綜合考慮影響機械系統性能的因素，協調機械系統的成本、時間、質量等各項指標。在汽車機械式系統達到預期目標、實現設定功能的前提下，整合一切有利因素，消除不利因素的影響，打造系統全方位的可靠性設計。通常有兩種關于機械系統可靠性設計方案，一種是以汽車機械系統所需內部零件為主體，內部各零件的數據分析和整合后系統的可靠性水平進行對比，選擇出可靠性較高的設計方法;另一種是以系統整體的可靠性能為基礎，達到預定指標前提下對系統內部零件進行整合，從多種整合方案得到可靠性最高的設計組合。

2? 變速傳動機構可靠性相關分析

2.1 變速齒輪的可靠性分析

機械器件在外部設計方面要向體積小、重量輕、成本低的方向靠近，對于汽車變速器來說，其體積大小對整體可靠性指標相當重要，變速器傳動機構的體積縮小、質量減輕有利于汽車整體重量的集中，這樣能保證行車的超高穩定性。變速器主要傳動功能來源于齒輪系，所以齒輪系的大小與變速器的體積大小息息相關，因此，此變速齒輪的可靠性設計也是汽車機械式變速器設計的重點所在。在進行齒輪系可靠性分析時，可以將空心結構看作實心結構，簡化齒輪設計分析的難度。另外也要考慮到提高齒輪的重合度，齒輪傳動重合度越高，傳動系統越平穩，可以降低齒輪工作的噪音，以提高汽車行駛操縱過程的動載荷控制水平[2]。

2.2 變速器軸的可靠性分析

變速器中軸構件是負責將駕駛員操控力進行傳遞的機械器件，軸構件作用的重要性決定了其組成是較為復雜的，主要構成為齒輪安裝段、過渡段、軸頸段與軸肩段。變速器軸構件的剛度和穩定性都決定了變速器的可靠性。按照機械器件普遍優化方向，應減輕變速器軸的重量，縮小其占用空間，以此增加變速器軸的傳動靈活力，給駕駛員帶來較為流暢的行車體驗。通常會選擇前兩個軸和中間軸以及倒擋軸等軸構件進行可靠性優化設計。這四根軸中可靠性分析的重點是第一軸，因為其結構最復雜，而且其他軸可以參考第一軸的可靠性分析。

2.3 花鍵的可靠性分析

花鍵是變速器另一重要組成部分，在機械式系統中很常見，花鍵是多齒的，齒根相同且較小，多齒的結構使得花鍵擁有較好的荷載承載水平，另外其導向性和對中性都較好。在變速器進行傳動的過程中，花鍵淺小的齒根使其應力水平不高，能保證變速器的整體剛度。因此對花鍵的可靠性研究有助于提高變速器的整體可靠性。在工況條件下，花鍵受擠壓的應力計算表示為：

可使用正態分布規律得到花鍵強度及應力分布，聯立參數進行計算，從而求解花鍵結構可靠度系數[3]。

2.4 軸承的可靠性分析

在多數機械設備中只要使用到軸承，其主要功能都是提供相應的支撐，受徑向載荷和橫向載荷。變速箱內的軸承雖然看上去并沒有發動機、傳動軸部位的軸承結構重要，但是其直接關乎到汽車整體的可靠性，因此結合軸承的外形、尺寸、安裝方式等進行可靠性分析是非常必要的。變速器軸承種類較多，汽車使用的軸承類型一般是徑向球軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承等，對軸承的可靠性分析有利于將汽車向小型化、輕量化方向發展，也有利于延長汽車的使用壽命。在可靠性分析中要考慮到軸承使用過程會有接觸磨損，這會對動載荷產生影響。

3? 變速器變速傳動機構的可靠性設計

3.1 可靠度分配

為達到汽車機械變速傳動機構的綜合指標，在滿足系統質量可靠、牽引力十足等各項前提下，對汽車零件也進行全面可靠度分配，以降低變速器傳動機構的成本、減輕重量、簡化工藝程度等。圖1為汽車機械式變速器變速傳動機構分解。

由圖1可見，變速器傳動機構主要包括變速齒輪、花鍵、變速器軸、軸承，因此分別對這些組成部分進行可靠度分配。對變速齒輪的可靠度分配中，用RL接表示齒輪接觸強度，用RL彎表示齒輪彎曲疲勞強度，對變速器軸的可靠度分配中，用RS剛表示軸疲勞剛度，RS強表示強度，對花鍵的可靠度分配中，RJ強表示花鍵疲勞強度。因為軸承在汽車維修中更換方便，所以變速器可靠度分配中不考慮軸承的因素。傳動機構可靠度呈串聯模式，則變速傳動機構的整體可靠度計算公式為：RS=RL接×RL彎×RJ強×RS剛×RS強。

3.2 可靠性優化設計模型

綜合考慮零部件的尺寸、強度、重量等因素，利用概率統計學設計可靠度實驗，并得出最優數據，實現系統的較高可靠性。圖2為可靠性優化設計模型的算法流程。

首先，確認目標函數。變速器齒輪系的體積和傳動負荷是對多變速器可靠度影響較大的因素，因此選擇體積和傳動負荷作為研究目標。變速器的體積減小，有利于汽車造價的降低，另外重量集中有利于汽車行駛過程中整體的穩定。齒輪重合基礎大于1，而且參與嚙合的齒數越多，齒輪件傳動的重合度就越大，將載荷能力分配到較多的齒數上，可以減輕單個齒數的動載荷量，減少噪音的產生和摩擦損耗，提高傳動機構的穩定性和傳動可靠性。然后，選擇設計變量。零件部的多種尺寸、規格等都屬于變量，可以選擇齒輪系的五檔變速比、參與嚙合的齒輪數、齒寬等作為變量進行設計。最后，確定約束條件。在可靠性設計中，參數的設計都有約束條件，像變速器五檔傳動比之間比值的約束、齒輪系間參與嚙合的齒輪數約束、變速器組件最大載荷力約束等[4]。

3.3 變速器軸可靠性優化設計

汽車結構尤其是變速器傳動機構中軸的結構都較為復雜，軸頸、軸肩、中間軸等，汽車整體可靠性設計要充分考慮軸的承受能力，在此基礎下將變速器傳動機構向輕量化改進。縮短軸之間的距離可以增加其承重能力，提高軸承的工作性能。動力從發動機經輸入軸進入變速器，帶動齒輪將動力傳輸到輸出軸，這一過程中，每部分軸件的剛度都非常重要。軸的扭轉角度、軸截面偏轉角度都影響到變速器的可靠性。階梯軸的復雜程度相對較小，可以借助階梯軸完成等截面軸的作用。軸結構的截面強度和受力變化都是正態分布，因此對變速器軸的可靠性優化要充分結合軸的特殊結構，以更好分析軸組建每部分的受力情況和自身的承載力情況，計算出力矩大小及受力方向，優化彎矩、轉矩以及軸徑的設計，實現變速器軸的較高可靠性。

3.4 聯接可靠性優化設計

汽車變速傳動結構是一個復雜的整體，因此需要將各部分很好地聯接起來，為滿足聯接可靠性要求，應從整體的配合度出發，綜合考慮到各零件的形狀、尺寸、耐磨度和強度，使用聯接結構，保證其協調運轉，不能只單獨考慮某個零件的特性，眾多機械零件結合起來，有很多種可能，運行結果是復雜多變的。為保證各零件的高效聯接，需要借助螺栓、鉚釘或鍵等固定件，保證聯接以后各零件位置準確、配合度高、聯接順滑。當然也需要聯接結構有很強的荷載力，可按照汽車機械傳動機構實際特點通過鉆孔、加工鍵槽等具體方式來進行承載力提升。最后，盡可能采用標準器件，降低聯接失效的風險。

4? 結語

變速器是汽車對行駛速度的關鍵控制機構之一，其可靠性很大程度上關乎到汽車整體的穩定性、變速順滑性以及汽車使用壽命等。雖然當下自動變速式汽車產量正在增多，但是很多品牌的汽車都不會輕易放棄眾多司機喜愛的機械式變速器。本文從多方面分析了機械式變速傳動機構的可靠性，建設了變速器可靠性模型。當然，仍然有很大的進步空間有待于汽車研究者的深入探索，以更好地提升我國汽車機械式變速器傳動機構的的可靠性設計水平。

參考文獻：

[1]賈冉.汽車機械式變速器變速傳動機構可靠性優化設計[J].山東工業技術，2017，18（6）：288.

[2]陳芳.基于可靠性的汽車機械式變速器變速傳動機構設計[J].微型電腦應用，2020，36（02）：138-140.

[3]楊鑄.探析汽車機械式變速器的可靠性優化設計[J].時代汽車，2020（12）：81-82.

[4]李玉柱.汽車機械式變速器的可靠性優化設計[J].時代汽車，2018（12）：85-86.